导航:随着社会的发展，住宅条件的改善，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求。简便、可靠的报警系统已经开始进入家庭。被动式热释电红外报警系统因其价格低廉、性能稳定、隐蔽性、保密性高等优点，得到广泛应用。目前市场上基于热释电红外传感器的报警系统，功能较为单一，开关设防和遥控设防不兼容，或现场报警与无线报警不兼容，功耗较大。本文介绍基于PIC单片机、无线收发技术和热释电红外传感器的被动式红外报警系统，该系统实现了开关设防和遥控设防的兼容，既可现场报警又可无线报警。由于在硬件和软件两方面进行了降功耗的设计，整个系统的功耗大为降低。
1 总体设计方案
1.1 热释电传感器原理
在自然界中，任何物体都会产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，人体体温，发出波长约为10μm的红外线。热释电红外传感器能将波长为8～12μm之间的红外信号转变为电信号，并能抑制自然界中的白光信号。利用菲涅尔透镜提高传感器的灵敏度，并使传感器的检测范围具有指向性。菲涅尔透镜还可将防区分为若干个明区和暗区，使进入防区的移动物体在热释电红外传感器上产生变化的红外信号。当有人进入防区，热释电红外传感器接收人体红外信息，输出电脉冲信号，供后续电路处理。在热释电红外传感器的工作过程中，传感器本身不发出任何形式的能量，完全依靠接收外界能量或能量的变化完成探测。基于热释电红外传感器的报警系统属于 “被动”式报警系统。
1.2 总体设计框图
总体设计框图如图1所示。
本系统有两种工作模式：“开关设防”工作模式和“遥控设防”工作模式。这两种工作模式可以通过“模式”开关自由转换。
当系统工作在“遥控设防”工作模式时，除了能够完成“开关设防”工作模式的功能外，用户还可以利用手持无线遥控器对系统进行遥控。遥控报警器进入“设防状态”、“撤防状态”、“测试状态”中的任何一种工作状态。这三种工作状态可以利用遥控器自由转换。这种工作模式适合频繁设防和撤防，操作方便，工作电流约为0.37毫安。
2 电路设计
2.1单片机控制电路
单片机采用MICROCHIP公司的PIC16F72，它是一种低功耗、高速的Flash单片机，内部主要集成I2C总线、SPI接口、输入捕捉/输出比较/脉宽调制CCP模块、A/D转换器、看门狗定时器WDT等功能部件。PIC单片机的I/O端口驱动负载的能力较强，每个I/O引线吸收和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，在本设计中，便是直接利用I/O端口给某些外电路提供工作电源，由单片机根据实际情况有选择地控制外电路的工作，以达到降低系统功耗的目的。PIC16F72具有正常工作模式和睡眠工作模式。在睡眠工作模式下，系统时钟停振，单片机中除了RAM维持记忆和看门狗等少数电路单元保持工作之外，其余大部分功能部件和外围设备模块都退出工作状态。单片机的耗电降到微安级，可以极大延长电池的使用寿命。PIC16F72的RB口中的RB7～RB4具有输入“电平变化中断”功能，该功能也可以将单片机从睡眠中唤醒。看门狗被启用后，每隔一个看门狗计时周期，看门狗溢出一次，也会将单片机从睡眠中唤醒。在本系统的软件设计中，将看门狗的计时周期设为2.304s。设防时，单片机被看门狗溢出唤醒后，检查模式开关的位置，数微秒后，再次进入睡眠状态，达到节电的目的。单片机控制电路结构框图如图2所示。
TXD0～TXD3是单片机给发射电路的四位数据。PW2272同接收电路中的解码芯片SC2272的18脚相连，为SC2272提供工作电源。当系统工作在“开关”设防模式时，PW2272为低，SC2272不工作，降低系统功耗。RXD0～RXD3同SC2272的四位数据口相连。TPCON同模式开关相连，为无线接收电路提供工作电源。单片机通过TESTP检测TPCON的高低，决定系统的工作模式。HONG来自红外传感及处理电路。BELL、RED和GREEN分别为警音报警电路和LED显示电路提供控制信号。
系统在进入“设防”工作状态后，单片机进入睡眠工作模式。将单片机从睡眠中唤醒的途径有以下几个：看门狗溢出、红外处理电路输出的高电平信号HONG、无线接收电路输出的信号RXD0、RXD1、RXD3。RXD2系统保留。无线接收电路输出的信号仅只在“遥控设防”工作模式下有效。单片机被唤醒后，先判断唤醒源，然后决定下一步的操作。
2.2 红外探测及处理电路
红外探测及处理电路的结构框图如图3所示
采用BISS0001作为红外信号的处理芯片。BISS0001是由两级运算放大器（OP1、OP2）、电压比较器、状态控制器、延时定时器、输出封锁定时 器及参考电源等构成的数模混合专用集成电路，具有功耗低、输入阻抗高、抗干扰能力强和工作电压范围宽等优点，与热释电传感器连接只需少量的外围元件即可构成自动报警器。
当有人进入防区，通过菲涅尔透镜聚焦，热释电红外传感器接收到人体的红外信号，并将其转化为电信号。该信号通过低通滤波电路，滤除高频干扰噪声后，被送到BISS0001中的运算放大器OP1，前置放大后，由电容耦合给运算放大器OP2二级放大，经电压比较器双向鉴幅后，在第2脚输出宽度为1.6s的高电平HONG。这个高电平可以将PIC单片机从“睡眠”中唤醒。通过改变BISS0001第三、第四脚的电阻和电容的大小，可以调节高电平HONG的宽度。BISS0001在高电平HONG由高变低后，将进入5.8s的“触发封锁时间”。在这5.8s内，即便有人进入防区，BISS0001的第二脚也不会输出高电平，从而避免频繁重复报警，降低系统功耗。这个“触发封锁时间”也可以通BISS0001第五、第六脚的电阻和电容的大小进行调节。
2.3 无线收发电路
红外报警系统检测到入侵信息后，除发出警音，还通过无线报警电路发射信号给电话自动拨号电路等。在该项目研究中，发射信号载频为433MHz，幅度调制。用户识别码为八位三进制。无线接收电路和无线手持遥控器完成遥控设防、撤防、遥控测试等功能，信号为幅度调制，载频315MHz，也可选择433MHz。接收电路为超再生形式。无线发射电路和无线接收电路已相当成熟，这里不作详细介绍。为了降低电路功耗，对无线收发电路供电电源进行专门设计。315MHz无线接收电路中解码电路的工作电源由单片机的RA5（PW2272）提供，上文已有描述。433MHz无线发射电路中编码电路的工作电源如图4所示。
当有人进入防区，通过菲涅尔透镜聚焦，热释电红外传感器接收到人体的红外信号，并将其转化为电信号。该信号通过低通滤波电路，滤除高频干扰噪声后，被送到BISS0001中的运算放大器OP1，前置放大后，由电容耦合给运算放大器OP2二级放大，经电压比较器双向鉴幅后，在第2脚输出宽度为1.6s的高电平HONG。这个高电平可以将PIC单片机从“睡眠”中唤醒。通过改变BISS0001第三、第四脚的电阻和电容的大小，可以调节高电平HONG的宽度。BISS0001在高电平HONG由高变低后，将进入5.8s的“触发封锁时间”。在这5.8s内，即便有人进入防区，BISS0001的第二脚也不会输出高电平，从而避免频繁重复报警，降低系统功耗。这个“触发封锁时间”也可以通BISS0001第五、第六脚的电阻和电容的大小进行调节。
2.3 无线收发电路
红外报警系统检测到入侵信息后，除发出警音，还通过无线报警电路发射信号给电话自动拨号电路等。在该项目研究中，发射信号载频为433MHz，幅度调制。用户识别码为八位三进制。无线接收电路和无线手持遥控器完成遥控设防、撤防、遥控测试等功能，信号为幅度调制，载频315MHz，也可选择433MHz。接收电路为超再生形式。无线发射电路和无线接收电路已相当成熟，这里不作详细介绍。为了降低电路功耗，对无线收发电路供电电源进行专门设计。315MHz无线接收电路中解码电路的工作电源由单片机的RA5（PW2272）提供，上文已有描述。433MHz无线发射电路中编码电路的工作电源如图4所示。
由单片机来的四位数据TXD0～TXD3不但同SC2262的数据输入端相连，还分别通过二极管线或后同SC2262的电源端相连，这样，只有当系统发射无线信号时，TXD不全为零，PW2262为高，SC2262才工作。平时，TXD全为零，编码电路与发射电路都不工作，避免不必要的功耗。
3 软件设计
系统的软件设计全部使用汇编语言编程，以提高系统的快速性和实时性。软件采用模块化设计方法，有利于修改和调试。程序主要分三部分：主程序、“开关设防”工作模式程序、“遥控设防”工作模式程序。主程序首先对各个数据寄存器和外围电路进行初始化，利用LED和蜂鸣器指示系统的工作状态；随后判断“模式”开关的位置，调用相应的子程序。
在“开关设防”工作模式程序中，单片机进入睡眠模式后，只有看门狗溢出和红外报警信号可以将单片机唤醒。如果唤醒源是看门狗，单片机先判断模式开关的位置，确定程序的走向，继续进入睡眠状态；如果唤醒源是红外报警信号，进入报警程序的操作。
“遥控设防”工作模式程序设计框图如图5所示。在这种工作模式下，唤醒源除了看门狗溢出和红外报警信号外，还有遥控器发射的设防、撤防、测试信号。单片机被唤醒后，先判断唤醒源，再调用相应的工作子程序。在撤防工作子程序和报警工作子程序中，程序在完成相应的操作后，都将进入“睡眠”工作模式，等待唤醒信号到来。软件流程图与“遥控设防”工作模式流程图相同。
4 样机试验
通过样机的测试，该红外报警系统能实现如下技术指标：
（1）系统功耗低。在“开关设防”模式下，整机在设防时工作电流为0.07mA，一节9V叠层电池可连续工作约3500小时。在“遥控设防”模式下，整机在设防时工作电流为0.37mA，一节9V叠层电池可连续工作约700小时。
（ 2）红外探测距离：5～6m（探测器正前方，室温）。
（3）红外探测角度：使用幕帘式菲涅尔透镜，水平为10度，垂为90度。
（4）无线报警发射距离：100m（空旷地）。
（5）无线接收距离：50m（空旷地）。设计时，为了降低系统功耗，减小了接收电路的工作电流，所以接收距离相对于一般的超再生接收模块要近。但考虑到用户一般是在室内使用遥控器，这个距离是可以接受的。
5 结束语
本设计根据实际应用的需要，利用PIC单片机、无线收发技术和热释电红外传感器设计的被动式红外报警系统具有结构简单、性能可靠、功耗低等优点，实现了开关设防与遥控设防兼容，现场报警与无线报警兼容。经过多次测试，该系统工作稳定